1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念引言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類引 言 本章內(nèi)容 自第一臺電子計(jì)算機(jī)問世已經(jīng)半個多世紀(jì)了，它已經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代： 第一代計(jì)算機(jī)（19451954） 第二代計(jì)算機(jī)（19551964） 第三代計(jì)算機(jī)（19651974） 第四代計(jì)算機(jī)（19751991） 第五代計(jì)算機(jī)（1992現(xiàn)在）第一代計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容引言 將電子管和繼電器存儲器用絕緣導(dǎo)線互連起來，單個CPU，CPU用程序計(jì)數(shù)器和累加器順序完成定點(diǎn)運(yùn)算，采用機(jī)器語言或匯編語言，用CPU程序控制I/O。代表性系統(tǒng)有：John Von Neumann、Arth

2、ur Burks和Herman Goldstine于1946年在普林斯頓大學(xué)研制成功的IAS計(jì)算機(jī)；賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院于1950年制成的ENIAC；IBM于1953年制造的IBM701計(jì)算機(jī)。第二代計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容引言 采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來。采用了變址寄存器、浮點(diǎn)運(yùn)算、多路存儲器和I/O處理機(jī)。采用有編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。代表性系統(tǒng)有：1959年制成的Univac LARC、60年代的CDC1604和1962年制成的IBM7030。第三代計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容引言 采用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路。微程序控制在這一代開始

3、普及。采用了流水線、高速緩存和先行處理機(jī)。軟件方面采用多道程序設(shè)計(jì)和分時操作系統(tǒng)。代表性系統(tǒng)有：IBM 360/370系列、CDC 6600/7600系列、Texas儀表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP-8系列。第四代計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容引言 采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)了用共享存儲器、分布式存儲器或向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計(jì)算機(jī)，開發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器，同時產(chǎn)生了用于并行處理或分布處理的軟件工具和環(huán)境。代表性系統(tǒng)有：VAX9000、CrayX-MP、IBM 3090VF和BBNTC-2000等。第五代計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容引

4、言 采用VLSI工藝更加完善的高密度、高速度處理機(jī)和存儲器芯片。它最重要特點(diǎn)是進(jìn)行大規(guī)模并行處理，采用可擴(kuò)展的和容許時延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。代表性系統(tǒng)有：Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM-5、Intel超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Paragon、SGI的 Origin 2000和Sun公司的1000服務(wù)器。分 析 本章內(nèi)容 從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程，我們可以看出：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的不斷提高主要靠器件的變革和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。 如何最合理地利用新器件，最大限度地發(fā)揮其潛力，設(shè)計(jì)并構(gòu)成綜合性能指標(biāo)最佳的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，單純依靠器件變革是不能解決的，還要靠計(jì)

5、算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。4 之 1示 例 以微處理器為例（圖示）。在20世紀(jì)80年代中期以前，性能的提高主要是工藝技術(shù)驅(qū)動的，平均以每年25%的速度提高。此后到2002年，性能的提高主要得益于工藝技術(shù)和先進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，該增長率達(dá)到了52%。2002年后，由于在電源、可用的指令級并行和存儲器長時延等限制，使單處理器性能的提升減緩到22%。本章內(nèi)容4 之 2通過SPEC基準(zhǔn)測試程序，以VAX-11/780為基準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)性能4 之 3引 出 本章內(nèi)容 本課程的目的是：采用定量的方法，并輔以程序、實(shí)驗(yàn)和模擬等工具，來介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常用方法和技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化是本課程的重點(diǎn)

6、。 讓我們趕快開始吧！4 之 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義本章內(nèi)容 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念 計(jì)算機(jī)組成的概念 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖本章內(nèi)容定義應(yīng)用語言級高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級傳統(tǒng)機(jī)器級微程序機(jī)器級電子線路L5虛擬機(jī)L4虛擬機(jī)L3虛擬機(jī)L2虛擬機(jī)翻譯（應(yīng)用程序包）翻譯（編譯程序）翻譯（匯編程序）軟硬件交界面物理機(jī)器解釋硬件直接執(zhí)行硬件固件系統(tǒng)軟件虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器應(yīng)用軟件部分解釋11 之 1應(yīng)用語言級機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用語言應(yīng)用程序虛擬機(jī)器用戶信息處理11 之 2高級語言級機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖高級語言解釋或編譯虛擬機(jī)器高級語言程序員運(yùn)行程序11

7、 之 3匯編語言級機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖匯編語言匯編程序虛擬機(jī)器匯編語言程序員運(yùn)行程序11 之 4操作系統(tǒng)級機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)機(jī)器級指令操作系統(tǒng)級指令操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器操作員系統(tǒng)資源11 之 5傳統(tǒng)機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖機(jī)器指令系統(tǒng)CPU實(shí)際機(jī)器機(jī)器語言程序員機(jī)器程序11 之 6微程序機(jī)器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖微指令系統(tǒng)微程序控制實(shí)際機(jī)器邏輯設(shè)計(jì)員寄存器傳送門11 之 7電子線路本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖硬操作時序硬聯(lián)邏輯實(shí)際機(jī)器硬件維護(hù)員/設(shè)計(jì)員邏輯線路內(nèi)核11 之 8機(jī)器的作用和含義 機(jī)器是指能執(zhí)行和存儲程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合體。機(jī)器的實(shí)現(xiàn)是指算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，可

8、以硬件/固件/軟件實(shí)現(xiàn)。我們將由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱為虛擬機(jī)器，將由硬件/固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱為實(shí)際機(jī)器。本章內(nèi)容定義11 之 9 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的某一層使用者的角度看，只需通過該層的語言就可以使用機(jī)器，而不必關(guān)心其下層的機(jī)器是如何工作和如何實(shí)現(xiàn)各自功能的，這一性質(zhì)稱為透明性。軟件與硬件的關(guān)系本章內(nèi)容定義系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的軟、硬件功能在邏輯上是等價的軟件和硬件的分界面是動態(tài)變化的硬件比例高:提高解題速度減少存儲量硬件成本高降低硬件利用率、系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性軟件比例高:降低硬件造價提高系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性降低解題速度增加系統(tǒng)存儲量增加軟件設(shè)計(jì)費(fèi)硬件軟件過去現(xiàn)在將來時間硬件比率100%0%11 之 10

9、分層的目的本章內(nèi)容定義有利于正確地理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用；有利于理解各種語言的實(shí)質(zhì)及其實(shí)現(xiàn)；有利于探索虛擬機(jī)器新的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。11 之 11計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念本章內(nèi)容定義 “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的含義仍有多種說法，并無統(tǒng)一的定義，下面介紹兩種： 定義一 定義二4 之 1定義一本章內(nèi)容定義概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。 （Amdahl, 1964） 概念性結(jié)構(gòu) 是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有部件之間的邏輯連接結(jié)構(gòu)。 功能特性 主要是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的如下功能：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器組織、指令

10、系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、中斷機(jī)構(gòu)、I/O結(jié)構(gòu)等。哎！未指明程序員的級別4 之 2定義二本章內(nèi)容定義概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從機(jī)器語言程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。即：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定。明確多了！傳統(tǒng)機(jī)器級嘛！4 之 3主要任務(wù)數(shù)據(jù)表示：指硬件能直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式等尋址方式：包括最小尋址單位、尋址方式的種類、表示和地址計(jì)算等寄存器組織：包括操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器和某些專用寄存器的定義、數(shù)量和使用約定指令系統(tǒng)：包括機(jī)器指令的操作類型和格式，指令間的排序方式和控制機(jī)構(gòu)等存儲系統(tǒng)：包括最小編址單位、編址方式、主存容量

11、、最大可編址空間等 中斷機(jī)構(gòu)：包括中斷類型、中斷分級、中斷處理程序的功能和入口地址等 機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換 機(jī)器級的I/O結(jié)構(gòu)：包括I/O的連接/訪問方式、數(shù)據(jù)的源和目的、數(shù)據(jù)傳送量、操作的結(jié)束和出錯指示等 信息保護(hù)：包括保護(hù)方式、硬件對信息保護(hù)的支持本章內(nèi)容定義概念4 之 4計(jì)算機(jī)組成的概念本章內(nèi)容定義計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，它包括傳統(tǒng)機(jī)器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組織、邏輯設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)內(nèi)容數(shù)據(jù)通路寬度專用部件的設(shè)置各種操作對部件的共享程度功能部件的并行度控制機(jī)構(gòu)的組成方式緩沖和排隊(duì)容錯技術(shù)預(yù)測和評估計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的概念本章內(nèi)容定義計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容專用芯片（

12、ASIC）的設(shè)計(jì)處理機(jī)、Cache和主存的物理結(jié)構(gòu)器件、模塊、插件和底板的邏輯劃分和連接信號傳輸電源與冷卻微組裝和整機(jī)組裝技術(shù)小 結(jié)本章內(nèi)容定義 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件功能分配和軟、硬件界面的確定；計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。 具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以因?yàn)樗俣鹊纫蛩氐囊蠖捎貌煌慕M成；一種計(jì)算機(jī)的組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)所包含的具體內(nèi)容隨不同時期及不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會有不同，而且隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算

13、機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量準(zhǔn)則本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù) 首先確定新計(jì)算機(jī)應(yīng)具有哪些特性，然后在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高。即：計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者必須設(shè)計(jì)出一臺既能滿足功能要求，又能達(dá)到價格和性能目標(biāo)的計(jì)算機(jī)。 主要任務(wù)有：確定用戶要求優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定用戶要求本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù) 確定用戶對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求。 例如：具體的功能要求參見后表。優(yōu)化設(shè)計(jì)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù) 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的選擇通常依賴于價格和性能（后面介紹）。設(shè)計(jì)者在處理價格和性能之間的關(guān)系時通常有三種不同的方法： 犧牲成本來換取高性能 例如：超級計(jì)算機(jī)。 犧

14、牲性能來換取低成本 例如：嵌入式系統(tǒng)。 性能價格比最優(yōu)設(shè)計(jì) 例如：大多數(shù)的PC、工作站、服務(wù)器。設(shè)計(jì)出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)任務(wù) 一個成功的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該能經(jīng)得住軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的變化，因此設(shè)計(jì)者必須特別注意計(jì)算機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，這樣才能延長一種機(jī)器的使用壽命。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)由上而下法由下而上法由中間向兩頭法由上而下法本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)方法方法確定應(yīng)用的基本特性設(shè)計(jì)或選擇面向該應(yīng)用的高級語言設(shè)計(jì)適用于所選高級語言編譯的中間語言設(shè)計(jì)面向該應(yīng)用的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)面向所用編譯器和操作系統(tǒng)的機(jī)器語言設(shè)計(jì)面向機(jī)器語言的微指令及其硬件實(shí)現(xiàn)評價適用

15、于面向某一應(yīng)用的專用機(jī)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)周期較長（需若干年）由于技術(shù)發(fā)展很快，因此難以真正面向用戶優(yōu)化實(shí)現(xiàn)由下而上法本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)方法方法不考慮應(yīng)用，參照現(xiàn)有機(jī)器特點(diǎn)設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級選擇面向不同應(yīng)用的多種操作系統(tǒng)和編譯器評價20世紀(jì)6070年代較多采用的通用機(jī)的設(shè)計(jì)方法因硬件不可更改，所以軟件設(shè)計(jì)被動系統(tǒng)的某些性能指標(biāo)不確切，如傳統(tǒng)機(jī)器級的“每秒運(yùn)算次數(shù)”由中間向兩頭法本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)方法方法確定軟、硬件界面軟件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)軟件，硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)硬件（同時）評價20世紀(jì)60年代末開始采用的通用機(jī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)周期短交互式設(shè)計(jì)，便于提高系統(tǒng)性能要求設(shè)計(jì)人員具有軟件、硬件、器件和應(yīng)用等

16、方面的知識需要完善的硬件系統(tǒng)模擬環(huán)境和軟件設(shè)計(jì)環(huán)境計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟需求分析系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境：實(shí)時處理、事務(wù)處理、科學(xué)計(jì)算、遠(yuǎn)程處理所用語言的種類和特性對操作系統(tǒng)的特殊要求所用外設(shè)的特性技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析市場分析需求規(guī)格說明設(shè)計(jì)準(zhǔn)則功能說明 器件性能說明 概要性設(shè)計(jì)確定機(jī)器級界面 詳細(xì)設(shè)計(jì) 定義機(jī)器級界面的內(nèi)容，可提供多種方案 優(yōu)化和評價 提高系統(tǒng)的性能價格比本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量準(zhǔn)則本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù) 加快經(jīng)常性事件的速度 CPU性能公式 局部性原理 利用并行性加快經(jīng)常性事件的速度本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則 在進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，必須優(yōu)化經(jīng)常發(fā)生的功能，而非偶爾發(fā)生的功能。這是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

17、中最重要也最廣泛采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 例如：加法運(yùn)算中的溢出和不溢出；中斷處理中的常規(guī)性保護(hù)現(xiàn)場和特殊性保護(hù)現(xiàn)場。4 之 1Amdahl定律本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。 4 之 2Amdahl定律（量化）本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則Sn：整個系統(tǒng)的加速比T0：改進(jìn)前整個任務(wù)的執(zhí)行時間Tn：改進(jìn)后整個任務(wù)的執(zhí)行時間Fe：增強(qiáng)比例 Se ：增強(qiáng)加速比4 之 3Amdahl定律（例子）本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則問：假設(shè)某測試程序中FP指令執(zhí)行時間占50%，F(xiàn)PSQR指令占20%，用改進(jìn)FPSQR指

18、令速度為原來的10倍和改進(jìn)FP指令速度為原來的2倍，哪種方案更好？答：方案一：Fe=0.2, Se=10 ，根據(jù)Amdahl定律，加速比為： 方案二：Fe=0.5, Se=2 ，根據(jù)Amdahl定律，加速比為： 結(jié) 論：方案二優(yōu)于方案一4 之 4CPU性能公式本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則公式一公式二公式三6 之 1公式一本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達(dá)： 或： 簡單明了，沒有什么實(shí)用價值 6 之 2公式二本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達(dá)： 其中：IC為一個程序的指令總數(shù)，CPI為執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)

19、。 CPU時間與3個因素有關(guān)：時鐘周期長度、IC和CPI6 之 3公式三本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達(dá)： 其中：ICi為指令i在一個程序中的執(zhí)行次數(shù)，n為指令總數(shù)，CPIi為執(zhí)行指令i所需的平均時鐘周期數(shù)。 6 之 4CPU性能公式（例子）本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則問：假設(shè)某測試程序中FP指令（包括FPSQR）的執(zhí)行頻度為25%，F(xiàn)P指令的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI=1.33； FPSQR指令的執(zhí)行頻度為2%， FPSQR指令的平均CPI=20。假設(shè)有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是將FPSQR的CPI減為2，另一種是將所有FP的CPI減為2.5，

20、試?yán)肅PU性能公式比較這兩種設(shè)計(jì)方案。答：原系統(tǒng)的CPI為：6 之 5CPU性能公式（例子）本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則方案一：將FPSQR的CPI減為2方案二：將所有FP的CPI減為2.5或結(jié) 論：方案二優(yōu)于方案一6 之 6局部性原理本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則 程序執(zhí)行中呈現(xiàn)出頻繁重復(fù)使用那些最近已使用過的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律。這反映在時間局部性和空間局部性上。 時間局部性 近期被訪問的信息，可能馬上被訪問。 空間局部性 與被訪問地址相鄰的地址上的信息可能會一起被訪問。利用并行性本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則并行性的概念并行性的實(shí)現(xiàn)并行性的等級并行性的發(fā)展并行性的概念本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性 我

21、們將問題中具有可以同時進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性稱為并行性。并行性實(shí)際上包含同時性和并發(fā)性兩重含義： 同時性 是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生，例如：流水。 并發(fā)性 是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生，例如：分時操作。ABCt1Dt2并行性的實(shí)現(xiàn)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性時間重疊資源重復(fù)資源共享時間重疊本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的實(shí)現(xiàn) 思想 讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而提高速度。 例子 指令流水線。 特點(diǎn) 不需要增加硬件設(shè)備就可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能價格比。t取指分析執(zhí)行(a) 指令流水線kkkk+1k+1k+1k

22、+2k+2k+2部件執(zhí)行分析取指t2t3t4t5t(b) 時空圖資源重復(fù)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的實(shí)現(xiàn) 思想 通過重復(fù)設(shè)置資源（硬件、軟件、信息、時間）來提高可靠性或性能。 例子 N模冗余結(jié)構(gòu)提高可靠性；多值存儲器提高信息存儲密度；多處理機(jī)提高速度和可靠性。 特點(diǎn) 需要增加資源才能大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。資源共享本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的實(shí)現(xiàn) 思想 利用軟件的方法讓多個用戶按一定的時間順序輪流地使用同一套資源，以提高其利用率，從而提高整個系統(tǒng)的性能。 例子 多道程序分時系統(tǒng) 。 特點(diǎn) 不需要增加硬件設(shè)備就可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能價格比 。并行性的等級本章內(nèi)容

23、設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性 從不同的角度看，等級的劃分也不一樣： 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度看 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度看 從計(jì)算機(jī)信息加工的各個步驟和階段看從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度看本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的等級 指令內(nèi)部 一條指令內(nèi)部各個微操作之間的并行。 指令之間 多條指令的并行執(zhí)行。 任務(wù)或進(jìn)程之間 多個任務(wù)或程序段的并行執(zhí)行。 作業(yè)或程序之間 多個作業(yè)或多道程序的并行。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度看本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的等級 位串字串 同時只對一個字的一位進(jìn)行處理，這通常是指傳統(tǒng)的串行單處理機(jī)，沒有并行性。 位并字串 同時對一個字的全部位

24、進(jìn)行處理，這通常是指傳統(tǒng)的并行單處理機(jī)，開始出現(xiàn)并行性。 位片串字并 同時對許多字的同一位（位片）進(jìn)行處理，開始進(jìn)行并行處理領(lǐng)域。 全并行 同時對許多字的全部或部分進(jìn)行處理。10110111101100010010110010101110010位片字從計(jì)算機(jī)信息加工的各個步驟和階段看本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的等級 存儲器操作并行 例如，相聯(lián)處理機(jī)。 處理器操作步驟并行 例如，流水線處理機(jī)。 處理器操作并行 例如，并行處理機(jī)。 指令、任務(wù)、作業(yè)并行 例如，多處理機(jī)。并行性的發(fā)展本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性單處理機(jī)系統(tǒng)內(nèi)并行性的發(fā)展多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其向并行處理系統(tǒng)的發(fā)展單處理機(jī)

25、系統(tǒng)內(nèi)并行性的發(fā)展本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的發(fā)展 時間重疊（主要） 把一個任務(wù)按功能分割為若干個相互聯(lián)系的子任務(wù),然后將每一個子任務(wù)分配給某個專門的部件處理。目的是使所有部件同時處于全面忙碌工作的狀態(tài)。例如：指令流水線。 資源重復(fù) 例如：多體存儲器、多操作部件、并行處理機(jī)等。 資源共享 例如：多道程序和分時系統(tǒng)多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其向并行處理系統(tǒng)的發(fā)展本章內(nèi)容設(shè)計(jì)技術(shù)定量準(zhǔn)則利用并行性并行性的發(fā)展 功能專門化 多臺計(jì)算機(jī)通過通道/通信線路實(shí)現(xiàn)互連，共享某些外設(shè)，以較低頻帶在文件/數(shù)據(jù)集級別上相互作用。系統(tǒng)功能被劃分成多個專門功能，然后將它們分散給各個專用處理機(jī)。專用處理機(jī)可具有不同的

26、體系結(jié)構(gòu)。目標(biāo)是構(gòu)成異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)。 機(jī)間互連 通過總線/高速互連網(wǎng)絡(luò)互連多臺計(jì)算機(jī)，共享主存，以較高速率在數(shù)據(jù)/任務(wù)集上相互作用。支持進(jìn)程和程序的并行處理。各處理機(jī)具有相同的功能。目標(biāo)是構(gòu)成同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)化 地理上分散的多臺計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互連，共享資源。目標(biāo)是構(gòu)成分布式處理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)本章內(nèi)容 成本 性能成 本本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn) 成本 成本是指生產(chǎn)一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需的費(fèi)用，包括軟、硬件的費(fèi)用。影響因素：時間、產(chǎn)量、商品化。 價格 價格是指一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)銷售時的金額。以一個價值$1000的PC為例（圖）來介紹價格的構(gòu)成：標(biāo)價元件成本直接成本毛利平均折扣2

27、 之 1 直接成本是指與生產(chǎn)一件產(chǎn)品直接有關(guān)的成本，包括勞動力成本、保證金（在保質(zhì)期間系統(tǒng)在用戶那邊失靈時的更換或維修費(fèi)用）等。 毛利（間接成本）是指與生產(chǎn)一件產(chǎn)品間接有關(guān)的成本，包括公司的研發(fā)費(fèi)用、營銷費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、場地租金、財務(wù)成本、稅前利潤和稅。 2 之 2性 能本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn) 性能標(biāo)準(zhǔn) 基準(zhǔn)測試程序 性能比較性能標(biāo)準(zhǔn)本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能 衡量計(jì)算機(jī)性能的唯一永久而且可靠的標(biāo)準(zhǔn)是：真實(shí)程序的執(zhí)行時間。下面介紹幾種較流行的替代標(biāo)準(zhǔn)及其不足： MIPS MFLOPS 選擇程序評價性能MIPS本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn) MIPS（每秒百萬條指令數(shù)）定義為： 程序的執(zhí)行時間為：主要缺點(diǎn)

28、： 不同指令的速度差別很大 指令使用頻度差別很大 有相當(dāng)多的非功能性指令遺憾??！MFLOPS本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn) MFLOPS（每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)）定義為： MFLOPS只能衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能。主要缺點(diǎn)： 依賴于浮點(diǎn)運(yùn)算集 依賴于浮點(diǎn)操作類型可惜！選擇程序評價性能本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn) 主要有5類測試程序（以測量準(zhǔn)確程度遞減的次序排列）： 真實(shí)程序 改造/模擬程序 核心測試程序 玩具基準(zhǔn)測試程序 綜合基準(zhǔn)測試程序真實(shí)程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn)選擇程序評價性能 思想 使用真實(shí)程序進(jìn)行測試。 例子 C編譯程序、Word等字處理程序、Photos

29、hop等應(yīng)用程序。 問題 會因程序依賴于具體的操作系統(tǒng)或編譯器而產(chǎn)生移植問題。改造/模擬程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn)選擇程序評價性能 改造的目的解決可移植問題側(cè)重于系統(tǒng)性能的某一特定方面 模擬的目的 能再現(xiàn)桌面系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的相互影響的行為，或模擬服務(wù)器系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的復(fù)雜的多用戶交互。核心測試程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn)選擇程序評價性能 思想 從真實(shí)程序中提取出的一些小而關(guān)鍵的程序段進(jìn)行測試。 例子 Livermore Loops和Linpack等。 用途 將計(jì)算機(jī)中各項(xiàng)特性的性能分離出來，以解釋運(yùn)行真實(shí)程序時性能有差異的原因。玩具基準(zhǔn)測試程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn)選擇程序評價

30、性能 思想 選擇通常只有10100行的代碼、用戶在測試之前都已經(jīng)知道運(yùn)行結(jié)果的程序進(jìn)行測試。 例子 Puzzle、快速排序等。 用途 用于測試某種特定指標(biāo)。綜合基準(zhǔn)測試程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能標(biāo)準(zhǔn)選擇程序評價性能 思想 人工合成出來的測試程序。為了使測試程序的行為和表現(xiàn)盡可能接近于真實(shí)的應(yīng)用程序，一般先對大量的應(yīng)用程序中的操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各種操作的比例，然后再按這個比例編制測試程序。 例子 Whetstone和Dhrystone?；鶞?zhǔn)測試程序本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能 把應(yīng)用程序中用得最頻繁的那部分核心程序作為評價計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)測試程序 (benchmark)。 用于桌面機(jī)的b

31、enchmarks 用于服務(wù)器的benchmarks 用于嵌入式計(jì)算機(jī)的benchmarks用于桌面機(jī)的benchmarks本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 桌面機(jī)應(yīng)具有的主要特性：優(yōu)化性能/價格比。 SPEC（）是常用的benchmarks ，這些benchmarks可分為兩大類：CPU和圖形。 集中測試CPU的 benchmarks SPEC CPU2000（表，測試實(shí)例）。 集中測試圖形的 benchmarks SPECviewperf和SPECapc。7 之 1SPEC本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于桌面機(jī)的benchmarks SPEC（System Performance E

32、valuation Cooperative）是由30個左右世界知名計(jì)算機(jī)大廠商所支持的非盈利的合作組織，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；SPEC能夠全面反映機(jī)器的性能，具有很高的參考價值。 SPEC發(fā)展過程為：SPEC89SPEC92SPEC95SPEC2000SPEC20067 之 212個整數(shù)程序用于CINT2000測試14個浮點(diǎn)程序用于CFP2000測試7 之 3SPEC CPU2000測試實(shí)例本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于桌面機(jī)的benchmark

33、s測試對象測試結(jié)果SPEC CINT2000的測試結(jié)果SPEC CFP2000的測試結(jié)果7 之 4 每一個桌面系統(tǒng)都配有一個CPU、512MB SDRAM（如果支持則帶ECC校驗(yàn)）、大約20GB的硬盤、一個快速的圖形系統(tǒng)和一個10/100Mbps以太網(wǎng)連接。7 之 5性能最好 性價比最好 7個桌面計(jì)算機(jī)的SPEC CINT2000測試結(jié)果7 之 6性能最好 性價比最好 7個桌面計(jì)算機(jī)的SPEC CFP2000測試結(jié)果7 之 7用于服務(wù)器的benchmarks本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 服務(wù)器應(yīng)具有的主要特性：優(yōu)化可用性（availability）、可擴(kuò)展性（scalability）和吞吐

34、量（throughput）。 常用的benchmarks 有兩種： SPEC TPC（Transaction Processing Council）7 之 1SPEC本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于服務(wù)器的benchmarks SPECrate 面向流量的benchmark。 SPECSFS 面向文件服務(wù)器(NFS)的benchmark。它不僅測試處理器的性能，而且測試I/O系統(tǒng)的性能。它重點(diǎn)測試吞吐率。 SPECWeb 面向Web服務(wù)器的benchmark。它模擬多個客戶請求訪問服務(wù)器中的動態(tài)和靜態(tài)頁面以及向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)的情況。7 之 2TPC本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于服

35、務(wù)器的benchmarks TPC的benchmarks（）用于測量一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)事務(wù)處理的性能。第一個TPC benchmarks是TPC-A，現(xiàn)已被下面的幾個所取代： TPC-C TPC-C于1992建立，用于模擬一個復(fù)雜的查詢環(huán)境。 TPC-H TPC-H用于自主（ad hoc）決策支持。 TPC-W TPC-W是一個基于Web的事務(wù)benchmark。 TPC-E TPC-E用于模擬一個經(jīng)紀(jì)公司的客戶賬戶。7 之 3TPC-C測試實(shí)例本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于服務(wù)器的benchmarks測試對象測試結(jié)果6個高性能服務(wù)器的測試結(jié)果6個高性價比服務(wù)器的測試結(jié)果7 之 4高性能高

36、性價比12個OLTP（在線事務(wù)處理）服務(wù)器7 之 5性能最好 性價比最好 6個高性能OLTP服務(wù)器的TPC-C測試結(jié)果7 之 6性能最好 性價比最好 6個高性價比OLTP服務(wù)器的TPC-C測試結(jié)果7 之 7用于嵌入式計(jì)算機(jī)的benchmarks本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)具有的主要特性：優(yōu)化軟件、價格、實(shí)時性、內(nèi)存和功率。 benchmark的發(fā)展處于初期階段，目前最好的benchmark標(biāo)準(zhǔn)化集是EEMBC（EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium）。EEMBC benchmarks可分為5類：汽車/工業(yè)、消費(fèi)者、網(wǎng)

37、絡(luò)、辦公自動化和電信（表，測試實(shí)例） 。7 之 1EEMBC benchmarks ()7 之 2EEMBC測試實(shí)例本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能基準(zhǔn)測試程序 用于潛入式計(jì)算機(jī)的benchmarks測試對象測試結(jié)果相對性能的測試結(jié)果相對性價比的測試結(jié)果功率和效率的測試結(jié)果7 之 35個不同的嵌入式處理器7 之 4性能最差 性能最好 5個嵌入式處理器相對性能的EEMBC測試結(jié)果7 之 5性價比最差 性價比最好 5個嵌入式處理器相對性價比的EEMBC測試結(jié)果7 之 6最差 最好 5個嵌入式處理器每瓦相對性能的EEMBC測試結(jié)果7 之 7性能比較本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能 為了能公平地綜合比較計(jì)算機(jī)的性能，引入新的

38、綜合度量標(biāo)準(zhǔn)： 各程序的比重相同時 總執(zhí)行時間 各程序的比重不同時 加權(quán)執(zhí)行時間 標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時間總執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能比較總執(zhí)行時間 平均執(zhí)行時間(時間) 平均執(zhí)行時間(速度) 算術(shù)平均 調(diào)和平均其中：Ti為第i個程序的執(zhí)行時間，n為程序數(shù)，Ri=1/Ti。加權(quán)執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能比較加權(quán)算術(shù)平均:Wi ：為第i個程序的比重 Ti ：為第i個程序的執(zhí)行時間 Ri ：1/Ti n ：為程序數(shù)加權(quán)調(diào)和平均:標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能比較 先將各程序的執(zhí)行時間對一臺參考機(jī)器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后取標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時間的平均值（可以是算術(shù)平均值，也可以是幾何平均值）。 算術(shù)平均

39、： 幾何平均： 這是SPEC基準(zhǔn)測試程序所用的方法，它的參考時間是以在SPARCstation 上的運(yùn)行時間作為基準(zhǔn)。ETRi ：為第i個程序?qū)⒖紮C(jī)器標(biāo)準(zhǔn)后的執(zhí)行時間 n ：為程序數(shù)2 之 1標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)性能性能比較2 之 2 算術(shù)平均值因參考機(jī)器不同而不同，幾何平均值不因參考機(jī)器不同而不同。所以標(biāo)準(zhǔn)化執(zhí)行時間應(yīng)采用幾何平均值。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展本章內(nèi)容馮諾依曼（Van Nenmann）結(jié)構(gòu)器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響馮諾依曼結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 基本思想于1936年1946年期間形成，由馮諾依曼等人于1946年提出

40、。8 之 1馮諾依曼結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在馮諾依曼結(jié)構(gòu)上得到不斷的發(fā)展和改進(jìn)，主要體現(xiàn)在下面兩點(diǎn)： 合理地進(jìn)行軟硬件功能分配 提高并行處理能力8 之 2改進(jìn)一本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 3 原來 以運(yùn)算器為中心，所有部件由控制器集中控制。 改進(jìn)以主存為中心操作并行 例如，I/O與CPU并行（DMA、I/O處理機(jī)等），I與O并行等。改進(jìn)二本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 4 原來 存儲程序：指令順序執(zhí)行，指令和數(shù)據(jù)同等對待（存于同一存儲器中，指令在執(zhí)行中可修改）。 改進(jìn)數(shù)據(jù)流機(jī)器 指令的執(zhí)行次序與存放次序沒有關(guān)系，由數(shù)據(jù)驅(qū)動。指令在執(zhí)行過程中不準(zhǔn)修改

41、指令和數(shù)據(jù)分開存儲改進(jìn)三本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 5 原來 存儲器按地址訪問，是順序、一維的線性空間，且每個單位的位數(shù)是固定的。 改進(jìn)采用按內(nèi)容訪問的相聯(lián)存儲器硬件實(shí)現(xiàn)高速相聯(lián)查找將整個訪存地址分為段號、頁號和頁內(nèi)地址存儲器同時具有按字、字節(jié)、位的多種編址方式改進(jìn)四本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 6 原來 指令在存儲器中基本是按其執(zhí)行順序依次存儲。 改進(jìn)先行控制、重疊和流水等（CPU內(nèi)的指令執(zhí)行）向量處理機(jī)、并行處理機(jī)和多處理機(jī)等（指令內(nèi)、指令間、任務(wù)間的并行）數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（指令的執(zhí)行由數(shù)據(jù)驅(qū)動，而非通常意義下的順序執(zhí)行）改進(jìn)五本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 7 原來 指令由

42、操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作數(shù)的類型由操作碼指明。 改進(jìn)增加許多高級數(shù)據(jù)表示，例如：自定義數(shù)據(jù)表示（數(shù)據(jù)自帶類型標(biāo)志）CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）、RISC（精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）和WISC（可寫指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）改進(jìn)六本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 8 原來 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼，并采用二進(jìn)制運(yùn)算。 改進(jìn)增加基本數(shù)據(jù)表示 例如，十進(jìn)制數(shù)、邏輯數(shù)、可變長字符串等。增加高級數(shù)據(jù)表示 例如，自定義、向量、堆棧等。器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展的特點(diǎn)器件種類器件發(fā)展對設(shè)計(jì)方法的影響器件發(fā)展的特點(diǎn)本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 集成度迅速提高 目前水

43、平：每0.25平方英寸108個晶體管，每5年左右提高一個數(shù)量級。 速度已接近極限 將來速度的提高主要靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 。 價格直線下降 例如，CPU芯片剛推出時1000，一年后降到200。 可靠性越來越高 芯片可靠性到達(dá)108小時，即連續(xù)使用1萬年以上。器件種類本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 通用片 用戶不能改變其功能，在生產(chǎn)時定死，可以大批量生產(chǎn)，例如：CPU、存儲器、寄存器、邏輯門 現(xiàn)場片 用戶可以在現(xiàn)場更改內(nèi)容，例如：PROM、EPROM 用戶片 按用戶要求專門生產(chǎn)的高集成度的VLSI器件。 全用戶片 完全按用戶要求設(shè)計(jì)的用戶片，例如：各種專用芯片。 半用

44、戶片 按通用片生產(chǎn)的用戶片，例如：門陣列片等。器件發(fā)展對設(shè)計(jì)方法的影響本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 計(jì)算機(jī)組成技術(shù)下移 原來只有在巨型機(jī)、大型機(jī)中采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機(jī)中，例如：超流水線、Cache等。 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法下移 第1代計(jì)算機(jī)，幾乎全部由硬件人員設(shè)計(jì)；第2、3、4代，由應(yīng)用、軟件、硬件和器件人員共同設(shè)計(jì)；將來：除器件設(shè)計(jì)之外，主要是軟件設(shè)計(jì)。 邏輯設(shè)計(jì)方法改變 過去邏輯設(shè)計(jì)很重要，盡量節(jié)省每一個芯片，每一個門；目前的設(shè)計(jì)主要考慮：了解市場，盡量選擇通用芯片、標(biāo)準(zhǔn)芯片；結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，規(guī)整、易讀、易診斷。軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 用戶對軟

45、件的要求 執(zhí)行速度 開發(fā)周期 可移植性（portability) 若一個程序可以不經(jīng)修改或只需少量修改就能運(yùn)于不同型號的計(jì)算機(jī)上，則稱該程序是可移植的（portable)。實(shí)現(xiàn)軟件可移植性本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響統(tǒng)一高級語言采用系列機(jī)思想模擬與仿真統(tǒng)一高級語言本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 思想 設(shè)計(jì)出一種完全通用的高級語言，為所有的程序員所使用。 存在問題不同的用途往往要求語言有不同的語法結(jié)構(gòu)和語義結(jié)構(gòu)人們對語言的基本結(jié)構(gòu)還沒有透徹的和統(tǒng)一的認(rèn)識習(xí)慣勢力的影響 例子 Ada語言，美國軍方統(tǒng)一用Ada語言開發(fā)實(shí)時軟件。采用系列機(jī)思想本章

46、內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 先確定好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)者據(jù)此設(shè)計(jì)軟件，硬件設(shè)計(jì)者則根據(jù)不同的性能要求，采用不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提供不同檔次的機(jī)器。 系列機(jī) 是指在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。例如，IBM PC系列、IBM370系列等。 兼容機(jī) 是指不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。兼容機(jī)允許進(jìn)行擴(kuò)充，例如：長城0520兼容機(jī)增加了漢字處理功能2 之 1軟件兼容性（compatibility)本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性2 之

47、2 軟件兼容性指的是同一軟件可不加修改地運(yùn)行于該系列機(jī)器中的各檔機(jī)器上的特性。 時間機(jī)器檔次當(dāng)前機(jī)器向上兼容向下兼容高低向后兼容向前兼容向后兼容必須做到，而向前兼容卻不一定。向上兼容一般要求做到，而向下兼容卻不一定。模 擬本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 模擬（simulation）指的是用一臺機(jī)器（宿主機(jī)）的機(jī)器語言程序解釋實(shí)現(xiàn)另一臺機(jī)器（虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)的方法。3 之 1模擬可實(shí)現(xiàn)程序在任何機(jī)器間的移植模擬影響虛擬機(jī)的速度模擬不宜用于在時間關(guān)系上有約束的程序的移植應(yīng)用虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)機(jī)器語言虛擬機(jī)高級語言虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)傳統(tǒng)機(jī)器微程序機(jī)器B虛擬機(jī)A

48、宿主機(jī)仿 真本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 仿真（emulation）指的是用一臺機(jī)器（宿主機(jī)）的微程序解釋實(shí)現(xiàn)另一臺機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)的方法。3 之 2若目標(biāo)機(jī)同宿主機(jī)的結(jié)構(gòu)差別大，則仿真困難模擬用機(jī)器語言程序解釋，其解釋程序存在主存中。仿真用微程序解釋，其解釋程序存在控制存儲器中。應(yīng)用虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)機(jī)器語言虛擬機(jī)高級語言虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)傳統(tǒng)機(jī)器微程序機(jī)器B目標(biāo)機(jī)A宿主機(jī)模擬和仿真本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實(shí)現(xiàn)軟件可移植性 在實(shí)際應(yīng)用中，通常將模擬和仿真這兩種方法混合使用。 頻繁使用的指令仿真 難以仿真的指令模擬3 之 3應(yīng)用領(lǐng)域的演變本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軍事、科學(xué)研究生產(chǎn)過程控制、行政管理家庭、個人領(lǐng)域時間醫(yī)療衛(wèi)生、交通指揮、商業(yè)4 之 1計(jì)算機(jī)的演變本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展專用機(jī)通用機(jī)高性能專用機(jī)高性能通用機(jī)4 之 2性能和價格關(guān)系的處理本章內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 問題 用戶的性能/價格要求決定廠商的生產(chǎn)決策。 方法維持價格不變，利用新型器件提高機(jī)器性能（水平實(shí)線）保持性能基本不變，利用低成本器件降低機(jī)器價格（等性能線）價格（對數(shù)）時間巨型機(jī)大型